ブレース（航空学）

航空学では、ブレースは追加の構造部材で構成され、機能的な機体を補強して、負荷がかかった状態で剛性と強度を与えます。ブレースは内部と外部の両方に適用され、必要に応じて圧縮または張力で動作するストラットや、張力のみで動作するワイヤーの形をとる場合があります。

一般的に、ブレースを使用すると、ブレースのない構造よりも強くて軽い構造が可能になりますが、特に外部ブレースは抗力を増加させ、航空機の速度を低下させ、内部ブレースよりもかなり多くの設計上の問題を引き起こします。ブレースワイヤのもう 1 つの欠点は、内部にある場合でも、定期的なチェックと調整、つまりリギングが必要になることです。

航空の初期の頃、支柱は、当時は同様に一般的だった単葉機や複葉機を含むすべての形態の飛行機の一般的な特徴でした。今日でも、高翼と軽量が究極の性能よりも重要である一部の軽商用機の設計では、揚力支柱の形の支柱がまだ使用されています。

ブレースは、曲げやねじれに抵抗する三角形のトラス構造を作り出すことで機能します。比較すると、ブレースのない片持ち構造は、大量の重い補強材を運ばない限り、簡単に曲がります。構造を深くすることで、はるかに軽量で剛性が高くなります。重量と空気抵抗を減らすために、構造を中空にして、ブレースで機体の主要部分を接続することができます。たとえば、高翼単葉機には、胴体の底部から翼端に向かってはるか外側の位置まで斜めの持ち上げ支柱が取り付けられることがあります。これにより、胴体の高さに対する翼根の有効深さが増加し、重量の増加がほとんどないのに剛性が大幅に高まります。

通常、ブレース ストラットの端部は、主翼桁や胴体隔壁などの主要な内部構造部品に結合され、ブレース ワイヤが近くに取り付けられます。

ブレースは、揚力、重量、抗力、ねじれ、ねじれなど、機体に発生するさまざまな力すべてに抵抗するために使用できます。ストラットは、圧縮または張力のいずれの力にも抵抗できるほど硬いブレース コンポーネントです。ワイヤーは、張力にのみ抵抗でき、圧縮されると緩むブレース コンポーネントであるため、ほとんどの場合、ストラットと組み合わせて使用​​されます。

堅い棒で作られた四角いフレームは剛性がなく、角で曲がる傾向があります。追加の斜めのバーで補強すると重くなります。ワイヤーならはるかに軽量ですが、片側しか倒れません。剛性を保つには、2 本のクロス ブレース ワイヤーが必要です。このクロス ブレース方法は、初期の複葉機ではっきりと見られ、翼と翼間支柱がワイヤーでクロス ブレースされた長方形を形成しています。

剛性構造を構成する別の方法としては、クロスピースを圧縮作用が十分に働くように頑丈にし、その端を張力作用する外側のダイヤモンドに接続するというものがあります。この方法はかつて単葉機でよく使われていましたが、翼と中央のキャバンまたはパイロンがクロスメンバーを形成し、ワイヤーブレースが外側のダイヤモンドを形成していました。

ワイヤーブレースは複葉機やその他の多葉機で最も一般的に見られますが、初期の単葉機でも一般的でした。

支柱とは異なり、支柱ワイヤーは常に張力状態で動作します。

ワイヤの太さと形状は、特に高速時に発生する抗力に影響します。ワイヤは、多重撚りケーブル、ピアノ線1 本撚り、または翼形断面鋼で作られる場合があります。

支柱ワイヤーは、主に飛行中に翼を下げておくフライングワイヤーと、揚力を生成していないときに翼を上げておくランディングワイヤーに分けられます。（バスケットやゴンドラを気球につなぐワイヤーもフライングワイヤーと呼ばれます。）より細い入射角ワイヤーが前後の翼間支柱の間に斜めに通されることがあります。これは、翼がねじれて胴体への入射角が変わるのを防ぐためです。 ^[1]先駆的な航空機の中には、旋回時などの横方向の荷重による歪みを防ぐために、翼支柱ワイヤーが前後に斜めに通されていたものもありました。揚力と重力によって課される基本的な荷重の他に、支柱ワイヤーは、着陸の瞬間にランディングワイヤーにかかる荷重の増加など、操縦中に発生する強力な慣性荷重も支えなければなりません。 ^[2]

支柱ワイヤーは、正しい長さと張力を維持するために注意深く設置する必要があります。飛行中はワイヤーが負荷を受けて伸びる傾向があり、着陸時にはワイヤーの一部が緩むことがあります。定期的な索具の点検が必要であり、飛行前には必要な調整を行う必要があります。索具の調整は、通常、傾斜計と下げ振りを使用して、翼の上反り角と迎え角を設定および維持するためにも使用されます。個々のワイヤーには、簡単に調整できるように、ターンバックルまたはねじ端継手が取り付けられています。一度設定すると、調整器は所定の位置に固定されます。^[3]

内部補強は、航空機の初期の時代に最も重要でした。当時の航空機は文字通りフレームであり、それ自体に強度のない、ドーピングされた布で覆われている程度でした。布で覆われた翼と、むき出しのままにされることが多かった胴体の両方で、ワイヤークロスブレースがそのような航空機のフレームを強化するために広く使用されました。

曲げやねじれに対する構造的な剛性を維持するために、ワイヤーを定期的に取り付ける必要がありました。機体の狭い内部へのアクセスは、内部ワイヤーにとって特に問題でした。

多くの場合、十分な内部補強を施すと設計が重くなりすぎるため、機体を軽量かつ強固にするために、補強は外部に取り付けられます。これは、利用できるエンジン出力が限られており、飛行するには軽量である必要があったため、初期の航空機では一般的でした。1920 年代から 30 年代にかけてエンジン出力が着実に上昇するにつれて、はるかに重い機体が実用的になり、ほとんどの設計者は速度を上げるために外部補強を放棄しました。

ほぼすべての複葉機は、上部と下部の平面が翼間支柱で接続されており、上翼は胴体の上を横切って走り、より短いキャバン支柱で胴体に接続されています。これらの支柱は、斜めのワイヤーで支えられたベイに翼を分割します。飛行ワイヤーは下翼から上向きと外向きに走り、着陸ワイヤーは上翼から下向きと外向きに走ります。結果として、支柱とワイヤーの組み合わせは、胴体の取り付け部から独立した、剛性のある箱桁のような構造になります。

翼間支柱は複葉機や多葉機の翼を離して保持し、接続された翼パネルの 正しい迎え角を維持するのにも役立ちます。

平行支柱: 最も一般的な構成は、2 本の支柱を平行に、一方が他方の後ろに配置されることです。これらの支柱は通常、支柱の間を斜めに走る「入射ワイヤー」によって支えられます。これらのワイヤーは、気流に対する入射角に影響を与える翼のねじれを防ぎます。

N ストラットは、入射ワイヤの代わりに、1 つのストラットの上部からもう 1 つのストラットの下部まで対角線状に走る 3 番目のストラットを 1 つずつ追加します。

V 字型支柱は、上翼の別々の取り付け点から下翼の 1 つの点に収束します。下翼の翼弦が上翼よりも かなり小さいセスキプラン翼によく使用されます。

I 型ストラットは、通常の 1 対のストラットを、両端が翼に沿って前後に延長された 1 本の太い流線型のストラットに置き換えます。

2 組のインタープレーン ストラットまたはキャバン ストラット間の翼幅は、ベイと呼ばれます。翼は、各側のベイの数で表されます。たとえば、キャバン ストラットと、機体の両側に 1 組のインタープレーン ストラットがある複葉機は、シングル ベイ複葉機です。

フォッカー D.VIIのような第一次世界大戦の偵察機のような小型のタイプでは、通常 1 つのベイで十分です。しかし、より大きなペイロードを運ぶより大きな翼の場合は、複数のベイが使用されることがあります。2 人乗りのカーチス JN-4ジェニーは 2 ベイ複葉機ですが、大型の重量型は複数ベイ複葉機または三葉機であることが多かったです。ドイツのアルバトロス BIの最も初期の例と、 1914 年のDFW BI 2 人乗り非武装観測複葉機の全量産例は、第一次世界大戦中に使用された非常に数少ない単発 3 ベイ複葉機のうちの 2 機でした。

一部の複葉機の主翼は、横向きに傾いた支柱で支えられ、翼のベイがジグザグのウォーレントラスを形成している。例としては、第一次世界大戦の単発高速偵察複葉機のアンサルド SVAシリーズや、第二次世界大戦初期のフィアット CR.42 ファルコなどがある。

他のバリエーションも使用されました。SPAD S.XIII戦闘機は、2 ベイ複葉機のように見えますが、ベイは 1 つしかなく、索具の中間点が追加の支柱で補強されています。ただし、これらは上部の翼から下部の翼まで構造的に連続していません。ソッピース1 + 1 ⁄ 2ストラッターには W 字型のキャバンがありますが、翼同士が接続されていないため、ベイの数が増えません。

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  ソッピースキャメルの平行支柱
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  ニューポール10のVストラット
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  ボーイング・ステアマン モデル 75の N ストラット
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  フォッカー Dr.1三葉機の I 型支柱
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  フィアット CR42のウォーレン トラス ストラット

航空機の主胴体より上方に翼が伸びている場合、2 つの部品は胴体または乗務員室の上部から翼の中央部まで伸びるキャバン ストラットによって接続されることが多い。このような翼は通常、他の部分でも補強されており、キャバン ストラットは全体的な補強構造の一部を形成している。

キャバン ストラットは、抗力を克服するためにエンジン推力を上翼に伝えることが多いため、前後のストラット間の各対角線に沿った荷重は不均等であり、N ストラットとして形成されることが多い。また、翼のねじれを防ぐのに役立つ交差ブレース トーション ワイヤーを備えている場合もある。1917 年型イギリスの2 人乗り戦闘機兼護衛機であるブリストル ファイターのような複葉機の設計では、胴体が上翼だけでなく下翼からも離れており、腹側キャバン ストラットを使用してこのような設計上の特徴を実現している。

初期の単葉機は、揚力と重力に抵抗するために、胴体に直接、または胴体上部のキングポストと下部の着陸脚支柱に外部ワイヤー支柱を完全に頼っていました。1915年以降、多くの後期単葉機は、外部ワイヤーと支柱による抗力のペナルティを回避するために、翼内に揚力支柱を備えた片持ち翼を採用しました。

初期のワイヤー支柱式単葉機の多く、例えばブレリオ XIやフォッカー アインデッカー(どちらも翼が反り返る設計) では、胴体の上部または上部と下部に背部および場合によっては腹側の支柱システムまたはキャバンが取り付けられていた。これは、機体が地上で転覆した場合にパイロットを保護するためと、わずかに傾斜した V 字型に伸びて翼端近くの前後の点まで伸びる着陸ワイヤーを取り付けるために使用できた。パラソル翼単葉機では、翼は胴体の上部を通過し、複葉機の上翼と同様にキャバン支柱によって胴体に結合されている。^[4]

いくつかのタイプでは、キャバンの代わりに、単一の太くて流線型のパイロンが取り付けられています。

高翼機では、揚力支柱が翼の外側の点と胴体の下部の点を連結して剛性のある三角形の構造を形成します。飛行中、支柱は張力で作用して翼の揚力を胴体に伝え、翼を水平に保ちます。一方、地上に戻ると、圧縮して翼を持ち上げます。^[5]

中程度のエンジン出力と速度の航空機の場合、リフト ストラットは、完全にクロス ブレースされた構造による高抗力と、完全に片持ちの翼による高重量との間の妥協点となります。リフト ストラットは、 セスナ 152などの高翼タイプでは一般的であり、コンソリデーテッド PBY カタリナなどのパラソル翼タイプではほぼ普遍的です。

あまり一般的ではないが、パイパー・ポーニーのような低翼単葉機の中には、翼の上に揚力支柱が取り付けられており、飛行中は圧縮作用を、地上では張力作用を及ぼすものもある。

セスナ 152 のように、主翼に 1 本のリフト ストラットしかない場合もありますが、多くの場合は 2 本で、カタリナのように平行になっている場合もあれば、広がった形や V 字型のペア (例:オースター オートクラット) になって胴体に 1 点で結合されている場合もあります。より複雑な配置も多く使用されており、2 本の主要なリフト ストラットに、補助的な相互接続 (ジュリー ストラットと呼ばれる) が追加されていることがよくあります。たとえば、ポーニーの逆 V 字型のストラットの各ペアは、垂直サポート ストラットのペアによって補助されています。^[6]

昔から、これらのリフト ストラットは流線型にされており、多くの場合、金属製の荷重支持部材を成形ケースで囲むことによって流線型にされていました。たとえば、Farman F.190では、高翼が流線型のトウヒ材フェアリングで囲まれた平行なジュラルミン管で胴体下部に結合されていました^{[7 ]} 。また、Westland Lysanderでは、軽合金の押し出し I 型断面梁が使用され、これに前後の一対のジュラルミン フェアリングがねじ止めされていました [8]。その後の航空機では、Auster AOP.9 の押し出し軽合金ストラットのように成形金属から直接形成された流線型のストラットや、たとえば Remos GX eLITE のカーボン ファイバーリフト^{ストラット}のような 複合材料から形成された流線型のストラットが使用されています^[10] 。設計者は、流線型は、ファルマンF.190のように翼に近づくにつれて細くなることもある。^[7]他の設計では、例えばスカイトンK-10スイフトのように、延長されたフェアリング脚を持つ。^[11]

リフトストラットは、ウェストランドIVのようにエンジンを支えたり、スコティッシュアビエーションツインパイオニアのように着陸装置を支えるなど、他の機能と組み合わせられることもあります。^{[12] [13]}

リフトストラットは、超軽量および軽スポーツ機のカテゴリーの小型（2/4座席）高翼軽飛行機では依然として一般的です。より大きな例としては、36人乗りのショート360航空機や19人乗りのデ・ハビランド・ツイン・オッターがあります。^{[14] [15] [16] [17]}

リフトストラットは長くて細いため、簡単に曲がってしまいます。ジュリーストラットは、それを補強するために使用される小さな補助ストラットです。^[18]これらは、圧縮荷重による共振振動や座屈などの問題を防ぎます。

ジュリー ストラットにはさまざまな構成があります。メイン ストラットが 1 本ある単葉機では、メイン ストラットを翼の中間点に接続するジュリー ストラットが 1 本だけある場合があります。フリート カナックなどの「V」ストラットを備えたブレース付き単葉機では、ジュリー ストラットの組み立てが複雑になる場合があります。

初期の航空機では、エンジン出力が低く飛行速度が遅かったため、軽量の機体を支えるために、内部と外部の両方で補強が広く使用されていました。1903年のライト兄弟の最初の飛行機から、胴体は補強された枠組みに過ぎず、胴体に対して直角に翼を支えるために前後の斜めの補強さえ使用されました。

ごく初期の航空機には竹製の支柱が使われていた。ほとんどの設計では、強度と軽量さからトウヒ材またはアッシュ材で作られた流線型の支柱が採用されていた。 ^[2]金属製の支柱も使用され、現在でも木製と金属製の両方が使用されている。

1909 年にもっと強力なエンジンが登場したことで、前後の翼の支柱の必要性はなくなりましたが、第一次世界大戦で単葉機の人気がなくなり、支柱付きの複葉機が主流になるまで、単葉機でも支柱は実用的な設計に不可欠なものでした。

1911年から、国立物理学研究所に勤務していたイギリス人研究者ハリス・ブースと、当時JWダンのブレア・アソル航空機シンジケートに勤務していたエンジニアのリチャード・フェアリーは、複葉機の個々のベイの工学分析を開発・適用し、構造力を計算し、各ベイに最小限の材料を使用して最大の強度を達成し始めました。^[19]このような分析技術は、より軽量で強力な航空機につながり、広く採用されるようになりました。

同時に、補強材の量を徐々に減らすことができました。低速では、細いワイヤーは抗力をほとんど引き起こさず、初期の飛行機はワイヤーの数が多いことから「鳥かご」と呼ばれることもありました。しかし、速度が上がると、ワイヤーが運ぶ力が増加する一方で抗力を避けるためにワイヤーを細くする必要があります。エンジン出力が着実に増加したため、重量も同様に着実に増加し、補強材を減らす必要がありました。さらに抗力を減らすために、平らな部分や翼型の断面を持つ特殊な補強ワイヤーも開発されました。

ドイツのヒューゴ・ユンカース教授は、第一次世界大戦の勃発頃、抗力を誘発する支柱や索具をなくすことに真剣に取り組み、1915年半ばまでに彼の会社は、厚い翼型の片持ち翼設計に外部支柱を持たず、わずか120馬力の直列6気筒エンジンで時速160キロ強で飛行できる、全金属製の「技術実証機」単葉機、ユンカース J 1 を設計した。

第一次世界大戦の終わりまでに、エンジン出力と対気速度が十分に上昇したため、典型的な複葉機の支柱ワイヤーによって生じる抗力が性能に著しく影響するようになり、一方で、より重量があるがよりスリムな支柱支柱パラソル単葉機が実用化されつつありました。一時期、このタイプの単葉機が好まれる設計となりました。

支柱支持高翼単葉機は 1930 年代に真の片持ち式単葉機に追い抜かれたが、戦後も高速や長距離よりも軽量であることが重視される用途で使用され続けた。これには、下方視界も重要となる軽量キャビンの航空機や小型輸送機が含まれる。

支柱付きの高アスペクト比翼は、1948年にフランスのユレル・デュボア社（現在はサフラン傘下）のユレル・デュボア HD.10実証機に使用され、その後HD.31 /32/34 旅客機にも使用され、1980年代初頭までフランス国立地理学研究所で使用されていました。ターボジェットエンジン搭載の HD.45 は、シュド・アビエーション・カラベルに対抗するために提案されましたが、おそらく高速ターボジェットが低速の機体に合わなかったため、失敗に終わりました。

• 航空機の構造
• 閉じた翼
• フレキシブルウィング
• 翼の反り

• クレイン、デール：航空用語辞典、第3版、 Aviation Supplies & Academics、1997年。ISBN 1-56027-287-2 
• ハリウェル、FW「索具：飛行機の組み立てと調整」。フライト、1919年1月23日、107ページ。
• クマール、B. 『航空図解辞典』ニューヨーク・マグロウヒル、2005年。ISBN 0-07-139606-3 
• スティーブントン、HWB、「翼支柱ジョイントの設計における理論的考察」、The Aircraft Engineer: Flight 補足、1930 年 5 月 30 日、33 ～ 35 ページ ( Flightページ 586a ～ 586c)。
• テイラー、ジョンWR 『The Lore of Flight』、ロンドン：Universal Books Ltd.、1990年。ISBN 0-9509620-1-5。